双馈风力发电系统反推控制策略的研究

张冶

身份证号120103197904137311

双馈风力发电系统反推控制策略的研究

张冶

身份证号120103197904137311

伴随着我国自然能源的不断匮乏，人们已经越来越迫切的需要一些新型能源与可持续能源来替代。太阳能技术、风力发电、水力发电等一些可持续发展的新能源被重视起来。其中对于加强风力发电技术来说，对于我国长远发展具有非常重要的意义。结合我们对于风力发电的多年研究，一般都是选择双馈式设计进行风力发电，所以我们下面将主要从双馈式风力发电技术进行分析，从而希望能够对风电企业的发展有一些帮助。

双馈风力发电；反推算法；直接功率

1 双馈式风力发电机的结构、特点

1.1 双馈风电系统模型

我们所知道的双馈风力发电系统主要是通过双馈电机的定子与电网直接进行连接，而转子则是与三相励磁变换器进行交流励磁作用，这样产生的电磁功率带动转子的两个回路与整个电网连接交换，其主要的系统构成如图1所示。而我们从整个双馈风力发电系统上可以看出，整个发电系统是由两个相对独立的系统组装而成。其中风力机与齿轮箱组成了其中的空气动力系统，而双馈电机则成为其中的电气系统。

图1 双馈风力发电系统结构图

双馈发电机与传统的普通发电机相比，从结构上存在很多相似的地方，在双馈发电机的使用过程中，定子绕组通过和电网进行直接连接，转子绕组则凭借着变频器进行幅值、频率和相位的提供。这样能够在进行风力发电的过程当中，不管风速产生了怎样的变动，都能够使电机的运动速度在变化时，可以凭借着变频器控制转子当中的电流大小，这样也就能够对转子的运转速度进行有效的调控，从而可以让转子的磁感应强度和定子的运转速度保持一定的匹配状态。而我们在这种环境当中，定子感应电势频率便能够保持相对恒定的状态，发电系统就能够进行变速恒频的运转。

双馈发电机通过对转差频率的调控来完成发电机的双馈速度调节，其自身的调节的控制方式就是通过发电机的转子侧来完成的。转子电路的功率则是凭借发电机在运转过程当中的速度限定值来确定转差功率的。所以，对于转差功率只是发电机定子原有功率的1/3～1/4，功率变化设备的容量相对较低，电压较小，这样会使变频器在运行的过程当中经济成本大幅度下降，系统在整理和设计的过程当中也会更加方便。

1.2 双馈式风力发电机的特点

双窥视风力发电机的工作原理是由嵌入在相同形状凹槽中的定子绕组，通过旋转产生一定的磁场，然后在转子中我们安装绝缘导线组成的三相绕组，通过转子上接出的电线连接到集电环中。一般来说，定子与电网能够直接进行连接，而转子则需要通过特定的变换器与电网进行连接，这样才能方便进行交流励磁。

双馈风力发电机的造价比较低廉，并且占用的面积也非常小，我们可以进行无功率调节。并且双馈风力发电机的抗干扰能力较强，适合我们广泛推广。双馈风力发电机运行过程中，并不会与整个供电网络有直接的联系，通常都是转子进行相连，所以这种发电机的电力输出比较稳定，不会再工作中出现特别大的波动。并且我们的双馈风力发电机系统能够通过无功率调节控制转子的交流励磁过程，可以很好的适应外界风力的变化。

2 双馈式风力发电机的运行原理分析

双馈风力发电系统要想连接到相应的电力网中，需要将定子进行相连，转子则连接到双脉冲调制变流器中即可。如果输出的电力没有任何数据上的不同时，我们通过双脉冲的变流器就能够调节转子端的电流。双馈式风力发电机能够保证其有很强的适应力与稳定性，一般将其分为超同步模式、同步模式、亚同步模式这三种运行模式。

2.1 超同步模式

超同步模式主要指的是，当定子磁场处于转动的效率较低的情况下，转轴的输出功率则要高于定子磁场的功率，并且不需要直流励磁电流的帮助。只需要借助双脉冲调制变流器就能够完成整个供电工作。这种通过发电机的定子与转子就能像供电网络进行输电的模式就属于我们正常工作模式。

2.2 同步模式

双馈风力发电系统处于定子磁场转动与转子的磁场转动的频率相同，那么转轴的输出功率也就一样。而双馈风力发电系统只能够通过定子进行电力输出，转子连接的电路没有办法进行电力输出，所以这种情况下转动的功率几乎一样，这就说明这种工作模式属于我们同步模式。

2.3 亚同步模式

当定子磁场处于低于转子磁场转动的情况下，其转轴的输出功率较低，我们必须根据实际的情况进行双脉冲变流器的调节，只有这样才能完成供电网络的电力输送任务。当电能输出需要定子电路进行分担时我们可以称之为补偿发电。风力发电中如果风力变化小那么双馈式的发电系统则处于亚同步状态，所以外界环境决定了发电机的工作模式。

2.4 模式分析

通过对这三种工作模式进行仔细的分析，我们以变速恒频风力发电系统为例，通过发电机的定子与电网相连，通过PWM变换器进行电网的连接。根据双馈电机工作的内容我们将其进行电机功率的分类。其中主要有4种不同状态的发电机功率，分别为次同步电动、次同步发电、超同步电动、超同步发电。

3 双馈式风力发电机控制技术

随着再生能源技术的不断发展，人们日常生活中也对科学技术越来越重视，在整个电力系统中风力发电的重要性也不断显现。但是如果风速处于恒定不变状态，那么就为我们的发电桨叶转速增加了不稳定性，如何保证风力发电机的输送稳定性，是整个风电系统一个较为重要的研究课题。双馈式发电机的能够在这种情况下满足风力发电的要求，一般而言双馈式发电机主要包含以下控制技术：

3.1 矢量控制

对于矢量控制技术来说，主要的核心按照定子的相位值与电流频率进行相应数量的控制，这样能够将一些直流量转化为交流量。通过这些变化来控制发电机的工作情况，从而将能量的转化效率进行提高，以便能够保证电网输出的稳定性。而这种情况需要在风力较小的地区使用。

3.2 模糊控制

模糊控制技术属于一种具有非常智能化的控制技术，通常是利用一些计算机软件对我们的思维方式进行模拟，并且借助这些相关经验进行处理，具体的情况我们能够根据风向和风力的变化，对其做出一些具体的反应。通过所获得的这些控制数据，在实际的发电过程中能够保证双馈发电系统的顺利运转。因此，该类控制技术运用状况在风力较大区域适用。

3.3 直接转矩控制

直接转矩控制的最为关键技术是通过输入转矩的数值进行调控。通过我们对发电机的运转情况进行调控。随着技术的不断发展，我们在一些简单的建模与复杂的运算上能够将具体的参数进行直接计算，这样对输出的电能稳定性与参数的具体控制有着非洲重要的作用。

3.4 变速恒频控制

由于风力发电受到外界因素的影响，其风速具有非常快的时变形值，所以具有一定的运用难度。为了能够更好的提升风机发电的效率，实现对风能的更好利用，我们必须要加强对风机的变速恒频控制。通过对上网电压的变化量要求，我们主要针对发电机输电的电压进行有效控制。而双馈式的发电机主要通过对于励磁相位的控制来进行电流频率的调节，只有将励磁控制器进行有效控制，才能真正的满足变速恒频控制。

4 结语

随着科学技术的不断进步，目前双馈式风力发电机已经能够为我国的供电网络高效、可靠的稳定输送电力。并且随着制造业的不断发展，发电技术的制造工艺与控制技术也在不断的得到完善。对于我们的研究人员来说，还是需要我们进行更高一步的提升，在风力发电领域中双馈式发电机由于其自身的各种优势必然会受到建设者的青睐，从而使我国的生产发展得到源源不竭的电力能源。

[1] 黄辉.双馈风力发电系统变流器并网适应性控制研究[D].西南交通大学,2016.

[2] 念丽波.10kW模拟变速恒频双馈风力发电系统控制研究[D].昆明理工大学,2016.

[3] 陈璐.双馈风力发电系统功率控制研究[D].华南理工大学,2016.

[4] 邱时严.双馈风力发电系统故障穿越的控制策略研究[D].湖南大学,2016.

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.11.184